Oxid uhličitý se běžně vyskytuje jako bezbarvý plyn. V pevné formě se tomu říká Suchý led. Chemický nebo molekulární vzorec pro oxid uhličitý je CO2. Centrální atom uhlíku je spojen se dvěma atomy kyslíku kovalentními dvojnými vazbami. Chemická struktura je centrosymetrická a lineární, takže oxid uhličitý nemá elektrický dipól.
Oxid uhličitý je rozpustný ve vodě, kde působí jako kyselina diprotová, nejprve se disociuje za vzniku hydrogenuhličitanového iontu a poté uhličitanu. Běžná mylná představa je, že veškerý rozpuštěný oxid uhličitý tvoří kyselinu uhličitou. Většina rozpuštěného oxidu uhličitého zůstává v molekulární formě.
Obě vody (H2O) a oxid uhličitý (CO2) sestává z atomů spojených atomem polární kovalentní vazby. Dosud, voda je polární molekula zatímco oxid uhličitý je nepolární. Polarita chemických vazeb v molekule není dostatečná k tomu, aby molekula byla polární. Každá molekula vody má ohnutý tvar kvůli osamělému elektronovému páru na atomu kyslíku. Každá vazba C = O v oxidu uhličitém je polární, přičemž atom kyslíku přitahuje elektrony z uhlíku směrem k sobě. Nálože jsou stejné ve velikosti, ale opačné ve směru, takže čistým účinkem je produkce nepolární molekuly.